Les chloroplastes abondent dans les cellules du mésophylle, tissu interne des plantes. Une cellule contient plusieurs chloroplastes. Le CO2 entre dans les feuilles et l'O2 en sort par des pores microscopiques appelés stomates.
À l'intérieur se trouvent des empilements de thylakoïdes que l'on nomme des grana. Le liquide dense qui les entoure est nommé le stroma. La chlorophylle se trouve dans la membrane du thylakoïde.
Toutes les radiations du spectre électromagnétique se déplacent sous forme d'ondes. Chaque onde a une longueur d'onde (distance entre deux pics) et une fréquence qui lui est inversément proportionnelle. Pour chaque longueur d'onde, la radiation possède une quantité d'énergie caractéristique qui lui est associée.
Les pigments réfléchissent les longueurs d'onde qu'ils n'absorbent pas. La chlorophylle est verte car elle absorbe principalement dans le bleu/violet et rouge.
La chlorophylle a n'est pas le seul pigment à participer à la photosynthèse. D'autres pigments qui se trouvent dans les membranes des thylakoïdes peuvent absorber la lumière et transférer l'énergie à la chlorophylle a. On nomme ces autres pigments les pigments accessoires (antennes).
Dans les chloroplastes, les pigments sont intégrés aux thylakoides sous forme de complexes appelés photosystèmes. Les photosystèmes incluent un complexe antennaire, qui contient des pigments d'antenne (chlorophylles, caroténoïdes) qui canalisent l'énergie lumineuse vers le centre réactionnel. Le centre réactionnel est composé de protéines et de 2 chlorophylles a. Il permet la transformation d'énergie lumineuse en énergie chimique.
1. Absorption de l'énergie des photons par le complexe antennaire du photosystème II (PSII)
2. L'électron photoexcité d'un P680 est transféré à la phéophytine, une chlorophylle modifiée qui agit comme accepteur primaire d'électrons
3. Pour recharger le PSII de 2 électrons, le complexe d'évolution de l'oxygène photolyse une molécule d'eau en 2H+ + 1/2 O2 + 2e-
4. La phéophytine passe 2 électrons à la plastoquinone A (PQ A), qui elle-même les passe à la PQ B. Celle-ci prélève simultanément 2 H+ au stroma et se réduit en PQ B H2 (plastoquinol)
5. PQ B H2 transfère ses électrons au complexe du cytochrome b6f et redevient PQ B (forme oxydée). Ses H+ sont libérés dans la lumière thylakoïdale via le complexe cytochrome b6f
6. Les électrons, une fois dans le complexe cytochrome b6f, sont dirigés vers une plastocyanine jusqu'au PSI. Le PSI reçoit de l'énergie lumineuse et photoexcite les électrons au niveau des P700
7. L'électron excité d'un P700 est transféré à A0 (fonction équivalente à la phéophytine du PSII), puis à A1 (une phyloquinone), puis à la ferrédoxine (FD, une protéine fer-soufre). La ferrédoxine-NADP+ réductase (FNR) les utilise pour catalyser NADP+ + 2H+ + 2e- → NADPH + H+ (soit une réduction de NADP+)
8. Le flux de H+ à travers l'ATP synthase permet la formation d'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique. C'est pour cette raison que le processus s'appelle photophosphorylation.
Le flux d'électrons se fait de l'eau vers la forme oxydée de la nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP+) qui subit une réduction en NADPH : H2O + NADP+ -> NADPH + H+ + 1/2O2
Le cycle de Calvin consomme davantage d'ATP que de NADPH (dans un rapport 3:2), le transport cyclique est donc indispensable pour combler la différence
Le produit immédiat du cycle de Calvin est le glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P), transporté du chloroplaste au cytosol pour être transformé en saccharose, le reste étant transformé en amidon
La photosynthèse est un élément majeur du cycle du carbone (250 milliards de tonnes de sucre produites chaque année) et responsable de la productivité primaire des écosystèmes